温度对普通小球藻和鱼腥藻生长竞争的影响

王 菁裘丽萍孟顺龙,范立民宋 超陈家长,

(1. 南京农业大学渔业学院, 无锡 214081; 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室, 无锡 214081)

温度对普通小球藻和鱼腥藻生长竞争的影响

王 菁1裘丽萍2孟顺龙1,2范立民2宋 超2陈家长1,2

(1. 南京农业大学渔业学院, 无锡 214081; 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 中国水产科学研究院内陆渔业生态环境与资源重点开放实验室, 无锡 214081)

通过室内实验研究了不同温度条件下主要水华藻类——鱼腥藻(Anabaena sp. strain PCC)和常见淡水藻类——普通小球藻(Chlorella vulgaris)的生长和种间竞争, 结果表明在单种培养和共同培养体系中, 普通小球藻的最大藻细胞浓度随着温度的升高而增加; 鱼腥藻生长最适温度为 30—35℃。温度对藻类种间竞争抑制参数能够产生明显影响, 鱼腥藻在温度为 15℃时对普通小球藻的竞争抑制参数最大, 分别是 25℃、30℃、35℃时的1.24倍、1.14倍和1.12倍; 而普通小球藻在30℃时对鱼腥藻的竞争抑制参数最大, 分别是15℃、25℃、35℃条件下的4.25倍、2.03倍和1.20倍。在4个试验温度下普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数均大于鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数。根据Lotka-Volterra竞争模型可推断, 在4个温度条件下,普通小球藻和鱼腥藻在竞争中不稳定共存。

普通小球藻; 鱼腥藻; 温度; 种间竞争

普通小球藻是绿藻门的单细胞淡水藻类, 以光合自养生长繁殖, 分布极广泛, 也是养殖水体中常见的主要藻类之一。鱼腥藻是蓝藻门的淡水藻类,藻丝单一, 由两种不同形状的细胞组成, 是富营养化水体中常见的藻类。蓝藻在生长过程中会产生硫化氢和氰胺等有害物质直接作用于水生动物, 当其生长为优势种时会抑制其他水生植物的生长[1]。近年来, 有关小球藻的研究主要集中在单一因素对小球藻生理生长[2], 或环境因素对单种培养小球藻的生长影响及其工业生产用途的开发上[3—8], 而对鱼腥藻的研究主要集中在生物学特性上[9—14]。鲜有研究者将二者置于共同的培养条件下, 探究其二者之间的竞争关系。

众所周知, 浮游生物是水体的初级生产者, 而温度、光照、营养盐、pH等环境因素影响并制约着浮游生物的生长。随着我国水产养殖集约化程度的提高以及人工饲料的配合利用, 在提高养殖效率的同时, 养殖区域的水体却也遭受着破坏, 严重者甚至会影响到周边的生存环境。

本文所用普通小球藻是养殖池塘及太湖等浅水湖泊中常见的可作水生生物饵料的绿藻, 鱼腥藻是以上水体中常见污染水体的蓝藻, 本实验设计研究不同环境温度条件下, 两试验藻种的生长状态及相互关系, 同时探究改变养殖水体温度来控制普通小球藻与鱼腥藻竞争关系的可行性, 为水产养殖过程控制、精准培水技术、水体富营养化控制提供研究基础数据。

1 材料与方法

1.1 藻种与培养

实验所用普通小球藻(Chlorella vulgaris)、鱼腥藻(Anabaena sp. strain PCC)购自中国科学院水生生物研究所。藻种扩大培养液为BG11培养基, 光照强度约为 2.2×103lx, 光暗周期为 12h︰12h, 温度为25℃。每天光照期间, 每隔2h手工摇匀锥形瓶1次,暗期则静置。

1.2 试验设置

根据调查, 苏南地区4、5月和10、11月水温在 15℃左右, 6、9月 25 , 7℃ 、8月水温不会超过35℃[15]。因此, 本研究选择15℃、25℃、30℃、35 ℃4个具有代表性的温度梯度进行试验。每个温度均设置3个试验组, 分别为普通小球藻单独培养组(简称C组)、鱼腥藻单独培养组(简称A组)、普通小球藻和鱼腥藻混合培养组(简称CA组)。每组试验设置3个平行。

各组普通小球藻、鱼腥藻的初始接种密度均设置为5×105cell/mL, 接种在含200 mL BG11培养液的250 mL锥形瓶中, 然后置于光照恒温培养箱内, 在不同温度下进行一次性培养(中间不更换培养液)。

1.3 细胞计数

自实验开始后每24h计数藻类数量。计数方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[16]直至所有藻类均出现负增长即试验结束, 负增长前一天所得藻浓度即为其最大生长浓度。

1.4 数据整理

比生长速率、竞争抑制参数、生长曲线拟合均参照文献[18]。

1.5 统计方法

采用单因素方差分析对数据进行统计处理, 并用 t检验方法对回归方程进行回归显著性检验; P＜0.05时, 差异显著。

2 结果

2.1 在不同温度条件下普通小球藻、鱼腥藻的生长情况

在不同温度条件下, 普通小球藻、鱼腥藻的生长情况如图 1所示。方差分析表明, 无论在单种培养体系还是共同培养体系中, 温度对两种藻的最大藻细胞浓度都有显著影响。在单种培养体系中, 普通小球藻和鱼腥藻的最大藻细胞浓度随着温度的升高而增加, 其中普通小球藻在4 个温度间的最大藻细胞浓度差异显著(P＜0.05), 鱼腥藻的最大藻细胞浓度在 30℃和 35℃时差异不显著而分别较 15℃和25℃时的最大藻细胞浓度差异显著(P＜0.05); 在共同培养体系中, 普通小球藻和鱼腥藻的最大藻细胞浓度随着温度升高而增加, 且最大藻细胞浓度差异显著(P＜0.05)。在单种培养条件下, 普通小球藻在15℃、25℃、30℃、35℃四个温度下达到最大藻细胞浓度的时间分别为16d、15d、16d、17d, 最大藻细胞浓度分别为833.6×104、1858.3×104、2190.2×104、2710.1×104cells/mL; 鱼腥藻在4个温度下达到最大生物量的时间分别为20d、21d、22d、21d, 最大藻细胞浓度分别为2531.7×104、7946.3×104、10210.4× 104、10637.4×104cells/mL。在共同培养体系中, 普通小球藻在4 个温度下达到最大藻细胞浓度的时间分别为 19、15、15、12d, 最大藻细胞浓度分别为186.0×104、358.0×104、420.1×104、452.1×104cells/mL;鱼腥藻在4个温度下达到最大藻细胞浓度的时间分别为19、19、22、23d, 最大藻细胞浓度分别 1660.7× 104、5022.3×104、6348.2×104、8825.9×104cells/mL。

温度能够对两种藻的平均比生长速率产生影响(表 1)。在单种培养条件下, 普通小球藻的平均比生长速率表现为: 30 ℃ ＞35 ℃ ＞25 ℃＞ 15 ℃;鱼腥藻的平均比生长速率则表现为: 35 ℃ ＞30 ℃ ＞25 ℃＞ 15℃。在共同培养条件下, 普通小球藻的平均比生长速率表现为: 35 ℃ ＞30 ℃ ＞25 ℃ ＞15 ℃ ;鱼腥藻的平均比生长速率则表现为: 30 ℃ ＞35 ℃ ＞25 ℃ ＞15℃。在单种培养体系中, 普通小球藻和鱼腥藻在不同温度下的生长曲线基本符合S型生长曲线(图 1), 说明在不同温度下, 单种培养藻类的生长曲线均可用Logistic模型拟合, 并可以根据 Logistic方程计算拐点出现时间(表2)。同时, 为计算拐点出现时间, 共同培养体系中的普通小球藻、鱼腥藻的生长也用Logistic方程进行了拟合, 并由此得到各生长曲线的拐点出现时间(表2)。

2.2 普通小球藻、鱼腥藻种间竞争抑制参数

以单种培养体系中拟合得到的K、r值和共同培养体系中普通小球藻和鱼腥藻的细胞数代入式[17,18],计算共同培养体系中鱼腥藻对普通小球藻(α)以及普通小球藻对鱼腥藻竞争抑制参数(β)(表3)。

从温度对竞争抑制参数的影响来看(表3), 温度在 15℃时鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数(α)最大; 普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数(β)则是30℃时最大。同时, 由表2可见, 在单种培养体系和共同培养体系中, 无论在何种温度下, 鱼腥藻出现拐点的时间都比普通小球藻晚, 这说明普通小球藻首先被抑制。

3 讨论

3.1 温度对单种培养体系中普通小球藻、鱼腥藻生长的影响

温度是影响生物生长的重要因素, 对生物体内细胞酶的活性以及生化反应的速率具有重要影响[19]。众多研究表明[20—22], 温度对藻类的生长有显著影响且明显高于例如光照、pH等环境因素; 在营养盐充足的条件下, 氮磷等营养盐对藻类生长的限制会被削弱其他环境因素对藻类生长产生的影响。

图1 不同温度下普通小球藻和鱼腥藻单种培养组及共同培养组的生长曲线Fig. 1 Growth curves of Chlorella vulgaris and Anabaena sp. strain PCC in pure culture and mixed culture systems at different temperatures

表1 不同温度下普通小球藻、鱼腥藻的平均比生长速率Tab. 1 Mean μ of Chlorella vulgaris and Anabaena sp. strain PCC at different temperatures

本试验结果表明, 在单种培养条件下, 鱼腥藻在温度为 15℃时缓慢生长, 随着温度的升高鱼腥藻的增殖速度加快, 最适生长温度在 30—35℃。金相灿等[23]研究表明, 水华微囊藻及孟氏浮游蓝丝藻这两种蓝藻在低温时生长均受到抑制; 张青田等[24]研究显示铜绿微囊藻在水温低于20℃时生长缓慢。在本试验中, 普通小球藻的最大藻细胞浓度随着试验温度的升高而增加, 这说明温度的升高有利于普通小球藻的生长。张桂艳等[25]在15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40 6℃ 个温度条件下对小球藻进行培养, 结果表明 15—35℃条件下, 小球藻的最大藻细胞浓度随着温度的升高而上升, 在 40℃条件下, 小球藻的生长受到了抑制; 欧阳峥嵘等[26]研究表明,适宜的温度范围为25—42.5 , ℃ 最适温度为37.5℃。以上研究与本试验的研究结果基本一致。

表2 不同温度下普通小球藻和鱼腥藻的逻辑斯谛模型拟合参数及拐点出现的时间Tab. 2 Parameters of Chlorella vulgaris and Anabaena sp. strain PCC regression coefficients of Logistic model and the inflection point different temperatures

表3 不同温度下普通小球藻和鱼腥藻的竞争抑制参数Tab. 3 Inhibition parameters of Chlorella vulgaris and Anabaena sp. strain PCC after inflection point at different temperatures

3.2 不同温度对普通小球藻、鱼腥藻生长竞争的影响

竞争是影响植物群落动态的关键因子[27,28], 是两个以上个体在有限资源环境中形成的一种相互关系[29]。影响竞争的环境因素有很多[30], 温度是主要因素之一[31]。孟顺龙等[32]研究表明, 在20℃、25℃、30℃三个温度下颤藻与微囊藻两两的竞争抑制参数随温度的变化而不同; 郑忠明等[33]研究表明, 不同温度下铜绿微囊藻对四尾栅藻的竞争抑制参数均大于四尾栅藻对铜绿微囊藻的竞争抑制参数。在本试验中, 鱼腥藻在温度为 15℃时对普通小球藻的竞争抑制参数最大, 分别是25℃、30℃、35℃时的1.24倍、1.14倍和1.12倍; 而普通小球藻在30℃时对鱼腥藻的竞争抑制参数最大, 分别是12℃、25℃、35℃条件下的4.25倍、2.03倍、1.20倍, 4个试验温度下鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数均小于普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数。这与上述研究结果有相似之处。同时这也说明, 温度对藻类的竞争抑制参数影响较大, 不同温度下藻类在竞争中的优势得到了强化或弱化。温度会影响植物体内各种反应酶活性, 不同酶的最适反应温度不同, 同种酶在不同生物间的最适反应温度也有差异[34], 本试验中普通小球藻和鱼腥藻在不同温度下的竞争抑制参数的差异可能与酶活性受温度影响而发生变化所致。由于本试验中没有深入地研究竞争机理, 具体原因仍有待研究。

在本试验中 4个温度条件下, 无论是单种培养还是共同培养体系中, 普通小球藻的拐点出现时间均早于鱼腥藻。生物生长拐点的生物学意义是生物个体从自由的快速增长阶段转入互相抑制的生长阶段, 也即抑制的起始点[34]。许秋瑾等[36]研究表明,当初始接种浓度为 1︰1时, 微囊藻因感到生存压力会分泌出更多的藻毒素来抑制另一种藻的生长,这也许在一定程度上说明了可以分泌藻毒素的鱼腥藻[37—39]对普通小球藻的抑制早于普通小球藻对鱼腥藻的抑制。比较两种藻在单种培养体系和共同培养体系的平均比生长速率发现, 共同培养时的平均比生长速率均小于单种培养时期, 这说明在共同培养时期两种藻之间确实相互产生了抑制的作用。

3.3 不同温度下普通小球藻、鱼腥藻的竞争结局

参照孟顺龙等[40]文章中列出的 Lotka-Volterra竞争模型。在本试验4个温度条件下, 1/Kc＜α/Ka且1/Ka＜β/Kc, 说明在15℃、25℃、30℃和35℃条件下,普通小球藻和鱼腥藻不稳定共存。

4 结论

在试验所设温度下, 无论是单种培养还是共同培养条件下, 普通小球藻的最大藻细胞浓度随着温度的升高而增加, 说明温度升高有利于普通小球藻的生长; 而鱼腥藻在单种培养时, 最适生长温度在30—35℃。

温度对两种藻的竞争作用产生显著影响, 鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数在 15℃时最大,普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数在 30℃最大。在 4 个试验温度下, 普通小球藻和鱼腥藻不稳定共存。

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EFFECT OF TEMPERATURE ON GROWTH AND COMPETITION OF CHLORELLA VULGARISRIS AND ANABAENA SP. STRAIN PCC

WANG Jing1, QIU Li-Ping2, MENG Shun-Long1,2, FAN Li-Min2, SONG Chao2and CHEN Jia-Zhang1,2
(1. Fishery College, Nanjing Agriculture University, Wuxi 214081, China; 2. Key Laboratory of Ecological Environment and Resources of Inland Fisheries/Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China)

Chlorella vulgaris is a common freshwater alga. Anabaena sp. strain PCC is one of the most common blue-green alga in eutrophic lakes. To better understand the growth of water bloom blue-green alga in eutrophic lakes and the relationship between alga growth and temperature, we investigate the interspecies competition between C. vulgaris and Anabaena sp. strain PCC at different temperatures. The results showed that in both uni-culture and co-culture systems, C. vulgaris and Anabaena sp. strain PCC reached the maximum growth rates at 35 and 30℃ —35 respe℃ ctively. We also found that the inhibition parameters of interspecies competition could be significantly influenced by the temperature. The maximum inhibition parameter of Anabaena sp. strain PCC against C. vulgaris, 0.9111, was observed at 15 . This value was 1.24, 1.14, and 1.12 times higher than the p℃arameters at 25, 30 , and 35 respectively. The℃℃maximum inhibition parameter of C. vulgaris against Anabaena sp. strain PCC, 18.38, was observed at 30 , which was℃4.25, 2.03, and 1.20 times higher than those at 15 , 25 , and 35 respectively. According to the℃ ℃ ℃ Lotka-Volterra model, we deducted that the coexistence of Anabaena sp. strain PCC and C. vulgaris was unstable in the co-culture system at these four temperatures.

Chlorella vulgaris; Anabaena sp. strain PCC; Temperature; Interspecies competition

Q142

A

1000-3207(2014)06-1127-08

10.7541/2014.164

2013-12-24;

2014-04-22

现代农业产业技术体系建设专项资金 (No.CARS-49); 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2013JBFM06); 无锡市农业产学研合作项目“淡水池塘养殖尾水达标排放研究示范”(2013-06)资助

王菁(1989—), 女; 江苏无锡人; 硕士研究生; 研究方向为渔业生态环境检测与保护。Tel: 0501-85559936; E-mail: wxwangjing1989@126.com

陈家长, E-mail: chenjz@ffrc.cn